Plásticos, de maneira geral, são resistentes a ataques microbianos, e, portanto, duram por anos quando descartados na natureza. O descarte de plásticos não biodegradáveis causa problemas severos no ambiente, como a infertilidade do solo devido ao acúmulo de plástico e especialmente no marinho, onde coloca em perigo todo um ecossistema. A necessidade do desenvolvimento de novos plásticos biodegradáveis impulsionou a pesquisa na área e dessa forma, eles alcançaram o mercado nas últimas décadas. Esse tipo de polímero pode ser tratado por processos biológicos, como compostagem ou digestão anaeróbica, não sendo acumulado ao longo dos anos (AHMED et al, 2018b; HU et al, 2010; SHAH et al, 2015).
Não apenas fatores bióticos afetam a degradação de um polímero. Polímeros submetidos à luz solar, altas temperaturas, agentes químicos, água, entre outros fatores podem também sofrer deterioração. O processo de deterioração abiótica pode, e vai, na maioria das vezes, ajudar ou iniciar o processo de biodegradação. Essa deterioração pode ser concomitante à ação microbiana (LUCAS et al, 2008).
A biodegradabilidade de um polímero depende de sua composição química. Polímeros aromáticos são praticamente não biodegradáveis, enquanto os alifáticos são. A adição de grupos alifáticos em polímeros aromáticos é uma técnica para tornar alguns desses polímeros biodegradáveis. A biodegradação ocorre com a ação de microrganismos que atuam sobre o material polimérico, resultando em gás carbônico e água. A degradação de cada tipo de plástico depende de enzimas que são produzidas por microrganismos específicos, podendo ser fungos, leveduras e/ou bactérias (HU et al, 2010; SHINOZAKI et al, 2012).
O mecanismo de biodegradação em polímeros envolve várias etapas. Primeiramente, o microrganismo excreta exoenzimas que têm a função de despolimerizar a molécula complexa em moléculas menores e isso ocorre na superfície, ou há a penetração de água e outras moléculas e a despolimerização acontece também no interior do polímero. Dessa forma, são formados monômeros e oligômeros e há a assimilação dessas moléculas mais
simples pela membrana semipermeável do microrganismo. Ele as utiliza como fonte de carbono e energia para sua sobrevivência. As reações de biodegradação envolvem inúmeras outras enzimas intracelulares e há etapas tanto aeróbias como anaeróbias. O processo de biodegradação no qual os produtos finais são gás carbônico, água e/ou metano é chamado de mineralização (MUTHUKUMAR e VEERAPPAPILLAI, 2015; AHMED et al, 2018b, LUCAS, 2008). A Figura 4 apresenta o esquema de despolimerização de um poliéster genérico com uma enzima hidrolase.
Como ilustrado na Figura 4, a presença da enzima (proteína, neste caso contendo três aminoácidos específicos dentre vários: asparato, histidina e serina em sua cadeia) contendo o grupo asparato forma uma ligação de hidrogênio com a histidina, e o anel da histidina interage com a serina. A histidina age como uma base, retirando o próton e deixando um alcóxido, que por sua vez, ataca a ligação éster da cadeia do polímero. Há a liberação de um álcool e a formação de um complexo acil-enzima. Na presença de água, esse complexo é desfeito, liberando a enzima novamente e um ácido pela formação do grupo carboxílico. Essa tríade de aminoácidos em uma proteína é conhecida como a tríade catalítica (LUCAS, 2008).
Especificamente sobre poliésteres, são considerados biodegradáveis os alifáticos, sintetizados a partir de ácidos dicarboxílicos e dióis, e os copolímeros alifático-aromático, sintetizados a partir de ácidos dicarboxílicos alifáticos e aromáticos e dióis alifáticos. A etapa limitante na velocidade de biodegradação é a hidrólise extracelular da ligação tipo éster, realizada por uma hidrolase, conhecida como carboxilesterase. Esta etapa pode ser tão mais rápida quanto mais flexível for a cadeia polimérica, e é desacelerada em caso de não uniformidade (regiões mais concentradas do composto aromático) em copolímeros (ZUMSTEIN et al, 2017).
Figura 4 - Mecanismo de despolimerização por ataque enzimático.
Fonte: Adaptado de LUCAS, 2008.
Pode-se testar a biodegradação de um polímero por diferentes métodos. Os dois métodos de maior frequência reportados na literatura são o método de biodegradação em solo e em solução. No método de degradação em solo, utiliza-se uma amostra de solo de compostagem ou solo artificial, e enterra-se o polímero na amostra. Analisa-se o polímero após intervalos de tempo para determinar a perda de massa e variações nas propriedades. Variáveis como umidade do solo e temperatura devem ser controladas. No ensaio em solução, o polímero deve ser adicionado a um meio sem fonte de carbono e estéril. O meio
deve então ser inoculado com um microrganismo capaz de utilizar o polímero como fonte de carbono. Pode-se analisar a perda de massa e variação das propriedades bem como a evolução do gás carbônico, produto final da mineralização. Apesar do teste em solução poder ser melhor controlado e a biodegradação melhor avaliada com a evolução do CO2, esse
método necessita de equipamentos sofisticados e é mais complexo quando comparado ao teste no solo (SHAH et al, 2016; WANG et al, 2015). A Tabela 3 apresenta alguns microrganismos capazes de degradar certos poliésteres.
De acordo com Nair et al (2017), a biodegradação do PBAT é completa em condições de compostagem em um período de 180 dias. Também foi reportado que a estrutura butileno-adipato é mais susceptível à hidrólise que seu co-monômero e que a biodegradação ocorre com maior velocidade nas porções amorfas do polímero, quando comparada às regiões cristalinas (KIJCHAVENGKUL et al, 2010). Autores também identificaram que hidrolases e lipases de alguns microrganismos foram capazes de degradar o polímero, e que a temperatura de incubação é um fator importante na taxa de degradação, o que indica que o processo ocorre a partir de uma hidrólise (HERRERA et al, 2002, SAADI et al, 2013, NAIR et al, 2017).
Tabela 3-Microrganismos e enzimas associadas à degradação de alguns tipos de poliéster.
Poliéster Microrganismo Referência
PLA F. solani P. roquefort Amycolaptosis sp. B. brevis R. delemer Shah et al, 2008 PHB P. stutzeri Cephalosporium sp. A. fumigatus Outros não identificados
Ahmed et al, 2018b Lee; Gimore e Huss, 2005
PBAT Cryptococcus sp. MTCC 545 Bacillus pumilus
Aarthy et al, 2018; Muroi et al, 2017
Em testes de biodegradação em solo, diversos autores reportaram perda de massa e variações em propriedades do PBAT após certo período. Wang et al (2015) conseguiram 2,5% de redução de massa após 3 meses, e notou aumentos suaves nas propriedades térmicas como temperatura de fusão e entalpia de fusão, e também na cristalinidade. Palsikowski et al (2018) reportou mineralização de 21% do PBAT após 180 dias, e aumento no índice de carbonila, pois na hidrólise há o aparecimento de grupos carbonila. Rychter et al (2010) encontrou uma perda de massa na ordem de 15% no décimo mês de biodegradação. Souza et al (2019), em seus estudos, também identificou uma elevação na temperatura de fusão do PBAT, porém não houve alteração na cristalinidade do polímero no início do processo, havendo redução da cristalinidade ao fim do mesmo. Ainda segundo os mesmos pesquisadores, o aumento da cristalinidade do polímero deveria acontecer pela reorganização das cadeias nas regiões amorfas. Gan et al (2004) explica que a maior cristalinidade e temperatura de fusão do PBAT se dá pela presença de mais unidades BT (aromáticas), o que explica o aumento dessas propriedades na biodegradação, visto que a parte alifática é mais rapidamente degradada, aumentando a porcentagem das unidades BT no polímero. Apesar da unidade BT ser aromática, Zumstein et al (2018) conseguiram identificar a biodegradação desta unidade utilizando espectroscopia por cavidade ressonante tipo ring-down (CRDS) para detecção de CO2 com um isótopo específico, o 13C, e fazendo com que o polímero possuísse
tal isótopo do carbono apenas na unidade BT. Com a percepção de tal isótopo no CO2, fica
claro que a unidade está sendo degradada. Como resultado final, foi quantificada mineralização de 8% do 13C nessas amostras.
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METODOLOGIANeste capítulo, apresentam-se os métodos utilizados para o desenvolvimento deste trabalho.